V. SENSORES REMOTOS Y MANEJO DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA

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1 V. SENSORES REMOTOS Y MANEJO DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA En los últimos años, los avances tecnológicos han generado herramientas de gran valía en el inventario de los recursos naturales, entre ellos, los utilizados en la percepción remota y en los sistemas de información geográfica. Con dichas herramientas ha sido posible, entre otras cosas, la elaboración rápida de planes de ordenamiento ecológico del territorio (POET) que sirven para evaluar, normar y programar el uso de los recursos naturales, mediante la identificación de las unidades homogéneas, en términos geomorfológicos, climáticos, edáficos y de vegetación, para proponer acciones concretas de manejo de recursos naturales. Los sistemas de información geográfica son otra herramienta que cada día es más utilizada en el ámbito del manejo de los recursos naturales, debido a su múltiples aplicaciones, entre las que se cuentan: 1) La capacidad de integración de información espacial y de otro tipo dentro de un solo sistema, esto es, ofrece una consistente estructura para el análisis de los datos geográficos; 2) La capacidad de manejar mapas y otro tipo de información espacial en forma digital; La capacidad para realizar conexiones entre actividades basadas en la proximidad geográfica, etc.

2 blabnca

3 INTRODUCCIÓN A LA PERCEPCIÓN REMOTA 16 INTRODUCCIÓN A LA PERCEPCIÓN REMOTA José Antonio González Iturbe Ahumada * Introducción Una definición formal y comprehensiva de la percepción remota aplicada es la adquisición y medida de datos y/o información de alguna(s) propiedad(es) de un fenómeno, objeto o material por un instrumento que no se encuentra en contacto íntimo con los rasgos bajo observación. Las técnicas involucran una gran cantidad de ambientes: medición de campos de fuerza, radiación electromagnética, energía acústica utilizando cámaras, láser, receptores de radio, sistemas de radar, sonar, sensores térmicos, sismógrafos, etc. Sin embargo, una definición más circunscrita al estudio del medio ambiente sería: la percepción remota es una tecnología basada en el muestreo de la energía electromagnética reflejada o emitida por los diferentes tipos de cobertura de la Tierra. Sin lugar a dudas, uno de los instrumentos de percepción remota que nos resultan más familiares es la cámara fotográfica. Atrás de este instrumento existe toda una historia relacionada con el desarrollo científico y tecnológico que se dio en el siglo pasado. El descubrimiento de la fotosensibilidad de ciertos compuestos de plata ya era conocido en el siglo XVIII. Los científicos británicos T. Wedgwood y H. Davy fueron los primeros en registrar imágenes fotográficas que, sin embargo, no eran permanentes. Durante el siglo XIX, el francés J. N. Niépce registra las primeras fotografías y su paisano, el pintor J. M. Daguerre realiza las primeras fotografías similares a las que hoy en día conocemos basadas en compuestos de plata, logrando fijar la imagen. Por otro lado, en Inglaterra, W. H. F. Talbot desarrollaba los que hoy conocemos como negativo permitiendo la * Unidad de Recursos Naturales, Centro de Investigaciones Científicas de Yucatán. 455

4 TÉCNICAS DE MUESTREO PARA MANEJADORES DE RECURSOS NATURALES reproducción de las imágenes cuantas veces fuera necesario. Durante ese siglo, mucho fueron los avances que perfeccionaron la técnica. Incluso, a fines del mismo, los primeros experimentos con fotografía a color fueron realizados por el físico inglés J. C. Maxwell y, ya para fines del siglo, G. Eastman desarrollaba la primera película flexible, transparente susceptible a ser montada en rollo y por ende inventando el rollo de película precursor del que hoy usamos. Durante el presente siglo, los desarrollos se han dado tanto en los instrumentos como en los medios para registrar las imágenes fotográficas y la descripción de los mismos escapan los objetivos de este escrito por lo que no profundizaremos en este aspecto. Baste resaltar algunas tendencias: el mejoramiento de los procesos químicos, el desarrollo de la cámara de 35 mm, el desarrollo de las diapositivas o transparencias y sobre todo, la difusión de su uso en muchas áreas, desde la informativa, la artística y la científica, entre otras. En lo que concierne a la percepción remota aplicada a las ciencias de la Tierra, puede decirse que su historia comenzó poco después de la invención de la cámara fotográfica. Ya, hacia 1840 se tenían las primeras fotografías aéreas tomadas desde globos aerostáticos y para finales de siglo, se diseñaron cámaras para que palomas mensajeras las portaran y así registrasen imágenes desde cierta altura. En el presente siglo, la fotografía aérea tuvo un fuerte desarrollo durante la Primera Guerra Mundial y mucho más aún durante la Segunda Guerra Mundial, por razones obvias. El uso de cámaras en el espacio exterior, comenzó con el Sputnik en Los primeros cosmonautas y astronautas llevaban consigo cámaras fotográficas. Para la década de los 60 aparecen los primeros sensores montados en satélites meteorológicos. Hacia 1970 se lanza el Skylab, el primer laboratorio espacial concebido como un sistema que permitiría tomar información de una manera programada. En esa misma década se lanza el satélite Landsat dedicado exclusivamente a monitorear al planeta con la finalidad de realizar cartografía sobre los recursos naturales. En la década de los 80 una gran familia de satélites aparecieron en escena. Satélites con sistemas de radar (Seasat, SIR-A), con barredores multispectrales (AVHRR), etc. El espectro electromagnético Para tener una comprensión cabal de la percepción remota es necesario conocer la forma en que la radiación interacciona con la superficie de la Tierra. La principal fuente de energía del planeta proviene del sol. Esta energía, de la cual la luz visible forma parte y nos resulta más familiar, es la radiación electromagnética. 456

5 INTRODUCCIÓN A LA PERCEPCIÓN REMOTA La energía puede ser transferida de un punto a otro de tres maneras posibles: conducción, convexión o radiación. Esta última es de especial interés en percepción remota. La energía radiada se comporta básicamente acorde con la teoría ondulatoria de la luz: es un continuo de ondas que se caracterizan por su tamaño (longitud de onda, l, que se mide en micrómetros, µm ) y frecuencia (n, que se mide en hertz, Hz), el número de ondas por unidad de tiempo. Ambas propiedades se encuentran relacionadas, la longitud de onda es la distancia entre cresta y cresta de la onda y la frecuencia es el número de ciclos, mientras más pequeña es la longitud de onda más alta es la frecuencia. El espectro electromagnético abarca longitudes de onda que van desde las muy cortas, del orden de 3 Å (1 Å = 10-7 mm), los rayos X, hasta los 30 km (1 km = 10 3 m), ondas de radio (Figura 1). Las longitudes de onda de importancia para la percepción remota son aquellas ubicadas en el intervalo de la luz visible (0.39 µm 0.78 µm, 1 µm = 10-3 µm), el infrarrojo cercano ( µm), infrarrojo térmico (3-14 µm) y la radiación en microondas (arriba de 15 µm). En el cuadro 1 se muestra un resumen de las diversas regiones del espectro electromagnético y sus propiedades. Figura 1 3A µm 3-14 µm 0.3-3m 30 km Rayos Cosmicos Rayos Gama Rayos X Ultravioleta Azul Verde Rojo Infrarojo intermedio Infrarojo termal Microcosmos Radio Alta Energía Baja Corta Longitud de onda Larga Alta Frecuencia Baja Regiones del Espectro electromagnético La radiación electromagnética que llega a un objeto, puede ser reflejada, absorbida o transmitida. Si la proporción del flujo radiante que es reflejado, absorbido o transmitido es muy diferente para los distintos rasgos de la superficie terrestre, entonces es posible identificar objetos de acuerdo a sus propiedades espectrales. La cantidad de energía que refleja, transmite o absorbe cada objeto es diferente para cada longitud de onda. Este es el sustento teórico básico para la percepción remota. Y esto que parece muy sofisticado, es algo que cotidianamente aplicamos cuando observamos cualquier objeto: vemos una hoja verde por el 457

6 TÉCNICAS DE MUESTREO PARA MANEJADORES DE RECURSOS NATURALES hecho de que tiene una alta reflectancia en la longitud de onda que corresponde al verde, un papel blanco posee una alta reflectancia en todas las longitudes de onda, etc. Sin embargo, el que un sensor remoto (cámara fotográfica, radiómetro, etc.) pueda o no detectar las diferencias espectrales de un objeto con respecto a otro depende de 4 factores determinantes: 1) la resolución radiométrica del sensor; 2) la cantidad de dispersión atmosférica; 3) lo irregular de la superficie del objeto y 4) las variabilidad espectral de los objetos en la escena en cuestión. La resolución radiométrica varía de un sensor a otro. Por ejemplo, el sensor Tematic Mapper (TM) puede captar hasta 256 niveles de radiación, mientras que el sensor llamado Multiespectral Scanner (MSS) detecta sólo 64 niveles de radiación, ambos sensores montados en los satélites de la serie Landsat. La dispersión atmosférica aumenta la radiación reflejada que llega al sensor por lo que reduce el contraste entre los objetos. La rugosidad de la superficie es muy importante ya que es necesario que los objetos tengan una cierta rugosidad para interactuar con la radiación. Si la superficie no presenta rugosidad, la radiación es reflejada sin interacción, con lo cual se obtiene poca información. Por fortuna casi todos los objetos de la superficie terrestre presentan la suficiente rugosidad. La influencia de la variabilidad espacial se debe a que la radiación reflejada registrada por cualquier sensor de un área particular posee también radiaciones de los sitios vecinos. Esto es de particular importancia en áreas urbanas donde existe una gran variabilidad espacial debido a la cobertura del suelo En resumen, en percepción remota lo que se analiza es la radiación reflejada (o emitida) por los objetos de la superficie terrestre. Interacciones entre la energía electromagnética y los cuerpos naturales La forma en que los objetos de la superficie reflejan la radiación electromagnética constituye una de sus propiedades fundamentales y de interés para la percepción remota. En la Figura 2 se presentan los patrones característicos de reflectancia de distintos tipos de clases de cobertura del suelo. 458

7 INTRODUCCIÓN A LA PERCEPCIÓN REMOTA Figura 2 Porcentaje de reflexión Agua clara de río Agua turbia de río Vegetación Suelo limoso-arcilloso Suelo orgánico Longitud de onda (micrómetros) Visible Infrarojo cercano Infrarojo medio Infrarojo termal Patrones característicos de reflectancia de distintas clases de cobertura del suelo Cuadro 1 Rayos cósmicos y Gamma Rayos X Ultravioleta (UV) Visible (VIS) Menos de mm. Esta radiación es completamente absorbida por la atmósfera superior y no es utilizada en percepción remota De a 0.03 mm. Esta radiación es absorbida por los gases atmosféricos, por lo que no se puede utilizar en percepción remota De 0.03 a 0.4 mm. Las radiaciones menores de 0.3 mm es completamente absorbida por el ozono de la atmósfera. La región comprendida entre 0.3 y 0.4 mm, denominado ultravioleta fotográfico, es usada en percepción remota. Esta radiación es detectable con películas y fotodetectores, aunque se ve afectado severamente por la dispersión atmosférica De 0.4 a 0.7 mm. Es detectable con película fotográfica y fotodetectores. Es el rango de acción de la fotografía convencional. Es la más utilizada en percepción remota, pues es la única región a la cual es sensible el ojo humano 459

8 TÉCNICAS DE MUESTREO PARA MANEJADORES DE RECURSOS NATURALES Cuadro 1 (continuación) Infrarrojo cercano De 0.7 a 3 mm. Es energía reflejada y no proporciona y medio información sobre la energía térmica del objeto. Dentro de este se encuentra límite de los sistemas fotográficos (0.9 mm). Muy importante en los estudios de vegetación Infrarrojo termal De 3 a 14 mm. Se divide en dos intervalos: de 3 a 5 y de 8 a 14 mm. Proporciona información sobre las propiedades térmicas de los objetos Micro-ondas De 0.3 a 300 cm. Estas radiaciones pueden penetrar nubes y niebla y son usadas en sensores activos de los cuales el más conocido es Radar Longitudes de onda Se utilizan en transmisiones de radio y redes eléctricas de corriente superiores alterna. No tienen aplicación actual en la percepción remota Propiedades y características de las distintas regiones del espectro electromagnético Con respecto a las clases de cobertura presentes en la superficie terrestre, se pueden generalizar en tres grandes grupos: suelo desnudo, agua y vegetación. Figura Porcentaje de reflectancia Suelo limoso Suelo arcilloso Suelo arenoso Suelo orgánico Longitud de onda (micrómetros) Patrones de reflectancia de distintos tipos de suelo 460

9 INTRODUCCIÓN A LA PERCEPCIÓN REMOTA Suelo desnudo: la reflectancia del suelo está determinada por el contenido de humedad superficial, la composición mineral, el contenido de materia orgánica, la textura y la rugosidad (Figura 3). Los suelos con más humedad absorben más radiación visible (VIS) y de manera particular, más radiación en el infrarrojo cercano (IRC) que los suelos secos. Los suelos con alto contenido de carbonato de calcio y los suelos arenosos con contenidos altos de cuarzo reflejan fuertemente en el intervalo del VIS y el IRC. Los suelos con alto contenido de hierro reflejan fuertemente en el VIS, en particular en la porción roja del espectro. Los suelos con textura más fina retienen más agua que los suelos de textura gruesa por lo que los primeros, debido al mayor contenido de agua, reflejarán menos que los suelos de textura gruesa. Sin embargo, los suelos de textura fina al desecarse pueden formar una capa impermeable que aumente la reflectancia. Agua: las características espectrales varían de acuerdo a varios factores. El contenido de partículas o sedimentos, materia orgánica, material vegetal y profundidad son algunos de los factores más importantes que afectan su comportamiento espectral. Vegetación: el comportamiento espectral de la vegetación depende fuertemente de las propiedades de las hojas y la estructura del dosel de la vegetación (número de capas de hojas) y la orientación de las hojas (Figura 4). Al nivel de la hoja, la radiación que llega parte se refleja, parte se absorbe y parte se transmite. La proporción de la radiación que es reflejada, en las diferentes partes del espectro (patrón de reflectancia) depende de la pigmentación de la hoja, el grosor y la composición (estructura celular) y la cantidad de agua libre dentro del tejido foliar. Dado que estos parámetros varían de especie a especie y con el tiempo, el patrón espectral de las hojas presenta una gran variación. En la figura 4 se muestra el patrón de reflectancia generalizado de las hojas. Como se puede apreciar, el comportamiento espectral varía de acuerdo a la longitud de onda que se trate. En las porciones azul y roja del espectro, la radiación es fuertemente absorbida por los pigmentos foliares (en particular la clorofila) presentes en los cloroplastos para el proceso fotosintético. En la porción verde, la absorbancia es menor y la reflectancia mayor que en las longitudes de onda del azul y el rojo. La radiación en el infrarrojo es fuertemente reflejada por el aire presente en el parénquima esponjoso de las hojas: mientras más desarrollados estén estos tejidos con aire, mayor será la reflectancia. La senesencia de las hojas implica la desaparición de la clorofila y la aparición de otros pigmentos (que le dan colores 461

10 TÉCNICAS DE MUESTREO PARA MANEJADORES DE RECURSOS NATURALES Figura 4 Pigmentos de las hojas Estructura celular Contenido de agua Factor determinante que controla la reflectancia de la hoja Porcentaje de reflexión Absorción por fotosíntesis Absorción por agua en el tejido de las plantas Visible Longitud de onda (µm) Infrarojo reflexión Regiones espectrales Infrarojo cercano Infrarojo medio Patrón generalizado de la reflectancia de una hoja. amarillentos o rojizos) y que causan un fuerte incremento de la reflectancia en el rojo. Otros factores alteran también la reflectancia de las hojas: las enfermedades y plagas afectan directamente a la clorofila (por lo tanto la tasa fotosintética) y desaparecen los espacios de aire; asimismo las esporas y las hifas cubren la superficie de las hojas con consecuencias en el comportamiento espectral. Al nivel macro, el comportamiento espectral de una masa de vegetación (cultivo, vegetación natural o modificada) está determinado por la combinación de sus componentes: el tipo, la densidad, el grado de desarrollo, su estado fenológico, y la naturaleza del suelo entre las plantas, si está desnudo o si posee materia orgánica, etc. Fotografía aérea El principio por el cual funcionan las cámaras utilizadas para adquirir fotografías aéreas es exactamente el mismo con el cual funcionan todas las cámaras fotográficas. Claro está que existen equipos ad hoc de acuerdo a las necesidades. 462

11 INTRODUCCIÓN A LA PERCEPCIÓN REMOTA En general se reconocen seis tipos de cámaras: cámaras para cartografía, cámaras de reconocimiento, cámaras de franja, cámaras panorámicas, cámaras con multilentes y el arreglo de multicámaras. Las películas utilizadas en fotografía aérea son la blanco y negro y la de color. Ambos tipos de películas pueden ser modificados para captar las radiaciones sólo en el espectro visible o bien captar éste y las del infrarrojo cercano. De esta forma se puede tener cuatro tipos de película: blanco y negro, blanco y negro infrarrojo, color e infrarrojo falso color. Las películas blanco y negro son sensibles a una amplia gama de longitudes de onda, por lo que son llamados pancromáticas. Existen dos tipos de película pancromática, la de cartografía, con igual sensibilidad a todas las longitudes de onda, y la de reconocimiento que tiene una sensibilidad reducida a las longitudes de onda en el azul para reducir el efecto de difusión de la atmósfera. La mayoría de las fotografías aéreas que conocemos han sido tomadas con películas de cartografía, esto es, películas pancromáticas blanco y negro. Las razones son varias, entre ellas: tienen mayor resolución, son más baratas, son ideales para estudios topográficos. El uso de la fotografía aérea en las ciencias de la Tierra abarca una amplia gama de disciplinas: investigaciones hidrológicas, análisis de terreno, agricultura (identificación de cultivos y enfermedades de los mismos), edafología (erosión), investigaciones forestales, urbanismo. Las fotografías en blanco y negro en infrarrojo difieren de las blanco y negro convencionales sólo en la sensibilidad espectral, la cual se extiende más allá de la longitud de onda del rojo, en los alrededores de 1 mm. Los principales usos de este tipo de película radican en los estudios de vegetación y cultivos, en aplicaciones relacionadas a sus enfermedades, humedad del suelo, diferenciación de masas forestales, entre otros. Las películas a color han sido diseñadas para simular la respuesta del ojo humano, el cual es altamente sensible a los colores azul, verde y rojo. Estos son los tres colores primarios con los cuales, a través de una mezcla apropiada de los mismos, se puede obtener el resto de los colores. La fotografía aérea en color es mucho más cara que la fotografía blanco y negro por lo que su uso es más limitado. Sin embargo, su utilidad ha sido probada en estudios de geología, ecología, vegetación, hidrología, geomorfología, etc. Al igual que sucede con la película blanco y negro infrarroja, la película falso color infrarroja, es sensible a la radiación infrarroja cercana. Las aplicaciones de este tipo de película abarcan una gran cantidad de campos: clasificación de áreas urbanas, monitoreo de la humedad del suelo, cartografía de inundaciones, censos de animales, cartografía de vegetación, áreas agrícolas. 463

12 TÉCNICAS DE MUESTREO PARA MANEJADORES DE RECURSOS NATURALES Propiedades geométricas de las fotografías aéreas Las principales características geométricas de las fotografías aéreas son el ángulo y la escala. Angulo. En función del ángulo en el que son tomadas, las fotografías aéreas se clasifican en: verticales, oblicuas y muy oblicuas. En las verticales, la imagen es tomada con el eje de la cámara apuntando verticalmente hacia abajo, mientras que en las oblicuas el eje apunta de esa manera. Las fotografías verticales son las más comunes pues poseen una escala promedio similar, por lo que son fácilmente utilizadas para cartografía. Las fotografías oblicuas, por su parte, abarcan más superficie que las verticales y resultan más familiares a los intérpretes (Curran, 1995). Las fotografías verticales son tomadas en secuencias a lo largo de la línea de vuelo del avión, de tal forma que se sobreponen un mínimo de 60 %, lo cual permite ver las impresiones de manera estereoscópica. Hacia los lados, también se sobreponen (un 30%) las fotografías para asegurar que toda la superficie sea captada. Escala. La escala de las fotografías (S) está determinada por la distancia focal de la cámara y la distancia de la lente de la cámara a la superficie. La distancia focal (f) es la distancia del centro de la lente de la cámara a la película. La distancia de la lente de la cámara a la superficie (H-h) es la altura de la lente sobre el nivel de mar (H) menos la altura de la superficie sobre el nivel del mar (h), cuando se trata de una superficie plana y con el eje de la cámara vertical. Estas variables se relacionan de la siguiente manera: S = f / H-h Así, si una fotografía fue tomada con una lente de f 150 mm, a una altitud de 2000 m de un terreno que está 500 msnm, la escala sería: 0.15m / m = 1/10,000 ó 1:10,000 Cuando no se conocen estas variables, la escala de la fotografía puede ser inferida vía mediciones; la distancia en el terreno (df) es medida entre dos puntos en una fotografía aérea y ésta es dividida entre la misma distancia en un mapa (dm): S = df / dm 464

13 INTRODUCCIÓN A LA PERCEPCIÓN REMOTA Visión estereoscópica Cuando las fotografías son tomadas con un grado de sobreposición pueden proveer una visión estereoscópica. La visión estereoscópica se logra gracias al efecto de paralaje. Este efecto es muy común a nuestras vidas: nuestros ojos registran objetos desde posiciones ligeramente diferentes y el cerebro usa el efecto de paralaje para darnos la sensación de profundidad. Nosotros podemos simular este efecto con las fotografías aéreas viendo un mismo objeto en dos fotografías adyacentes, con el ojo izquierdo la fotografía izquierda y con el ojo derecho la derecha. Esto se puede hacer a simple vista, pero requiere de entrenamiento por lo que se han desarrollado instrumentos (estereoscopios) que facilitan la visión. Existe una gran variedad de estos instrumentos, sin embargo los más comunes son: el estereoscopio de bolsillo, el estereoscopio de espejos y el estereoscopio de barrido (Figura 5). Figura 5 Con la ayuda de un estereoscopio de bolsillo es posible observar el relieve en este par esteroscópico. 465

14 TÉCNICAS DE MUESTREO PARA MANEJADORES DE RECURSOS NATURALES Mediciones con las fotografías aéreas Mediciones de distancias. La forma más simple es una regla construida por el interprete con divisiones negras y blancas para ser utilizadas en fotografías claras y oscuras. Claro está esto funciona bien en terrenos planos y sin relieve. Para terrenos montañosos esto sólo nos daría una idea aproximada de las distancias. Mediciones de áreas. Cuatro métodos son los más utilizados. La malla de puntos, el planímetro polar, la tableta digitalizadora y el procesador de imágenes análogas o digitales. La malla de puntos es un acetato transparente con una matriz de puntos; para medir la superficie de una región, simplemente se cuenta el número de cuadros que ocupa una región dada. Este método es impreciso y laborioso, la única ventaja es que es barato. El planímetro polar es un instrumento ad hoc para la medición de superficies; con práctica rinde resultados precisos y confiables además de que no es muy caro. La tableta digitalizadora es una forma cara pero precisa. Este instrumento que consiste en una superficie sensible donde se puede digitalizar la información de los bordes de las áreas de interés y transferirlos a una computadora. Los procesadores de imágenes pueden ser análogos o digitales. En el primer caso, las imágenes son videograbadas y desplegadas en un monitor que forma parte de un procesador que permite las mediciones. En el segundo caso, las imágenes son digitalizadas por medio de un scanner y procesadas en una computadora con el software adecuado. Estos procedimientos sólo nos dan resultados aproximados pero al alcance de la mano. Existen métodos mucho más precisos utilizados por los fotogrametras que implican el uso de instrumentos sofisticados. Estos métodos fotogramétricos son los utilizados por las agencias o instituciones nacionales e internacionales para el desarrollo de cartas topográficas, temáticas, catastrales, etc., que necesitan una alta precisión pues entran en juego límites estatales, internacionales, tenencia de la tierra, etc. Dado que este texto es solo una introducción a la percepción remota, remitimos al lector a publicaciones especializadas en fotogrametría para ahondar en su conocimiento. Fotointerpretación La interpretación de las fotografías aéreas es definida como el acto de examinar imágenes fotográficas con el propósito de identificar objetos y juzgar su significancia 466

15 INTRODUCCIÓN A LA PERCEPCIÓN REMOTA (Colwell, 1960 sensu Curran, 1995). En este proceso, el intérprete desarrolla al menos una de las siguientes tareas: detección, reconocimiento e identificación, análisis, deducción, clasificación, idealización y determinación de la precisión. La detección implica seleccionar objetos directamente visibles y de nuestro interés. El reconocimiento e identificación involucra el nombrar los objetos. El análisis consiste en tratar de encontrar un arreglo u ordenamiento espacial de las áreas u objetos de interés. La deducción es un paso más profundo pues implica el uso del principio de convergencia de las evidencias para predecir la ocurrencia de ciertas relaciones. La clasificación es el arreglo de los objetos en un sistema ordenado y la idealización es el uso de líneas y trazos en las fotografías para limitar nuestras áreas y/u objetos de interés. La determinación de la precisión se da cuando seleccionamos puntos al azar y confrontamos en campo nuestra interpretación De esta cadena de eventos, el reconocimiento y la identificación son los pasos que ligan todo el proceso. Siete características de las fotografías aéreas son de gran utilidad en este proceso: tono, textura, patrón, lugar, forma, sombras y tamaño (Figura 6). Tono. Es la característica más importante. Representa el registro de la radiación que llega a la superficie de la Tierra y es registrada por la película fotográfica. Tonos claros representan áreas de alta reflectancia mientras que áreas con tonos oscuros representan áreas de baja reflectancia. La reflectancia de un objeto está determinada por las características de su composición: una roca calcárea aparece en tonos de gris claro, mientras que un suelo húmedo aparecerá en tonos gris oscuro. Textura. Es la frecuencia de cambios tonales en una fotografía que surge cuando un gran número de rasgos son vistos al mismo tiempo. Depende de la escala. Patrón. Es el arreglo espacial de los objetos. Lugar. Es el determinar la posición de un objeto con relación a otros objetos en la vecindad. Forma. Es la determinación cualitativa de la configuración general de un objeto. Sombras. Las sombras de los objetos son muy útiles en la fotointerpretación, por ejemplo para identificar fallas geológicas, orientación de las fotografías Tamaño. Depende de la escala. El tamaño relativo de los objetos nos permite estimar las dimensiones de los mismos. 467

16 TÉCNICAS DE MUESTREO PARA MANEJADORES DE RECURSOS NATURALES Figura 6 Características de las fotografías aéreas. A) Tono. Los distintos tonos indican distintas coberturas de acuerdo al comportamiento espectral de las mismas en la región del visible del espectro electromagnético. B) Textura. Distintas texturas indican diferentes clases de cobetrura. En esta fotografía, las texturas finas corresponden a coberturas de herbáceas y al interior de la barrera arrecifal (centro de la foto). La textura gruesa corresponde a vegetación arbórea y a agua en movimiento (oleaje). C) Patrón. Los patrones en la cobertura pueden indicar particularidades del terreno o actividades antropogénicas. D) Forma. La forma de los objetos en las fotografías aéreas ayudan a definir e identificar a los mismos. Imágenes de satélite Sensores remotos Existen muchos criterios para clasificar a los distintos tipos de sensores remotos. Los más frecuentemente empleados son los siguientes: a) Banda del espectro electromagnético utilizada. 468

17 INTRODUCCIÓN A LA PERCEPCIÓN REMOTA De acuerdo a la región del espectro utilizada, los sensores se dividen en ultravioleta, del visible, del infrarrojo, de microondas, de frecuencia ultra alta (UHF), sensores de frecuencias muy altas (VHF). b) Fuente emisora. El criterio se basa en establecer si la fuente emisora de energía pertenece al sistema de percepción remota o si es independiente. De esta manera, los sensores se clasifican en pasivos (los que registran la energía emitida por otra fuente, generalmente el sol, y reflejada por los objetos) y activos (emiten energía en dirección al objeto y luego la detectan, como el radar). c) Ubicación espacial de la fuente emisora y receptora. Son sensores monestáticos cuando la fuente de emisión y recepción de energía ocupan la misma posición en el espacio (como el radar). Son biestáticos cuando la fuente de emisión tiene una posición diferente a la del receptor (fotografía aérea). d) Información registrada. De acuerdo a la información registrada, se clasifican en sensores fotográficos (cuando la información es registrada en una emulsión fotográfica al momento de ser recibida) y sensores no fotográficos (la información que recibe es proyectada sobre una pantalla o es registrada en forma gráfica o digital). Estos últimos, a su vez, pueden ser subdividios en radiométricos (registran la intensidad de una determinada longitud de onda del espectro) y espectrómetros (cuando registran la intensidad de una banda del espectro). e) Mecanismos utilizados para captar la información. En función de los mecanismos para captar la información los sensores se dividen en: Fotográficos. Operan con cámaras y películas. Electro-ópticos formadores de imagen. Pueden ser de tres tipos: de formato, barredores no oscilantes y barredores mecánicos. Los de formato no necesitan hacer un barrido para formar la imagen (como los sistemas de TV). Los no oscilantes barren en una sola dirección, mientras que los mecánicos incluyen una gran variedad de sistemas de barrido. Electro-ópticos no formadores de imagen. No forman imagen a partir de la información captada, sino que produce curvas, grupos de números o números simples que caracterizan la energía electromagnética emitida desde, reflejada por, y/o transmitida a través de una superficie o región del espacio. 469

18 TÉCNICAS DE MUESTREO PARA MANEJADORES DE RECURSOS NATURALES De microondas. Pueden ser activos o pasivos. Los activos formadores de imagen son los radares de visón lateral (SLAR) que pueden ser de antena real o de antena sintética (SAR). Los no formadores de imagen se clasifican en dispersómetros y radiómetros de microondas los cuales son pasivos. Plataformas utilizadas en Percepción Remota Las plataformas utilizadas en Percepción remota cubren una amplia gama de sistemas : Cestas colocadas a pocos metros sobre la superficie del terreno. Se usan frecuentemente con radiómetros y/o cámaras para estudios de la reflectancia de los objetos terrestres. Globos. Fueron los precursores de la observación de la superficie terrestre en planos superiores. Actualmente se utilizan en proyectos de investigación y meteorología. Aviones y helicópteros. Son las plataformas ideales para la teledetección. Cohetes. Han sido poco utilizados como plataformas, y su importancia radica más en su capacidad de colocar plataformas en el espacio. Satélites. Son el tipo corriente de plataforma espacial y se han utilizado para transportar todo tipo de instrumentos, desde cámaras fotográficas convencionales hasta sofisticados sistemas electro-ópticos (Cuadro 2). Los satélites en uso para el estudio de los recursos naturales operan o en órbitas heliocéntricas o en órbitas de sincronización terrestre (geosincrónicas). Las órbitas heliocéntricas son de menor altitud y se utilizan preferencialmente para transportar sistemas formadores de imágenes. De acuerdo a su posición con respecto a la superficie de la Tierra, las órbitas pueden ser polares, ecuatoriales o libres. En las órbitas polares, el satélite órbita pasando por los polos; a cada paso, la Tierra se ha desplazado un determinado número de kilómetros, por lo tanto debe haber un balance entre el área cubierta por cada paso del satélite y el desplazamiento de la Tierra en su rotación sobre su propio eje para lograr un cubrimiento total según el programa, este cubrimiento se logra después de un lapso de varios días, así por ejemplo, en Landsat, esto ocurre cada 16 días. Las órbitas ecuatoriales han sido utilizadas por programas específicos, como el TERS (Tropical Earth Resource Satellite) y el Seasat (programa oceanográfico). Las órbitas geoestacionarias son muy utilizadas en comunicaciones y meteorología. Los satélites, en estas órbitas, están colocados a 35,000 km y se despla- 470

19 INTRODUCCIÓN A LA PERCEPCIÓN REMOTA zan a una velocidad similar a la de la Tierra, por tanto, se mantienen fijos en una franja determinada y tienen la ventaja que siempre observan un determinado punto del planeta y, debido a la distancia que se encuentra, abarcando una extensa zona. Su limitante para el estudio de recursos naturales, también debido a la distancia, es su baja resolución. Figura 6 Viking 12 Mercury 8,9 Gemini. Apollo Skylab Space Schuttle Landsat (1-5) SPOT 1 y 2 JERS SEASAT ers Radarsat Satélite tripulado. Cámara fotográfica. Vistas sinópticas del SW de Estados Unidos A principios de los 60. Cámarra fotográfica. 29 fotos. Visible. Estados Unidos En los 60. Synoptic Terrain Photography (70 mm) ~ 1100 fotos, m resolución. Visible. Estados Unidos En los 60. Los primeros datos multispectrales, cámaras 4:70 mm, Multispectral Terrain Photography (v, r, ir). Estados Unidos A principios de los 70. EREP (Earth Resources Experimnet Package), S190A. Multiband Camera. Estados Unidos En los 80. Radar, TV, Multispectral Scanner, Cámaras. Estados Unidos 1972.Multispectral Scanner (visible y térmico), Tematic Maper (visible y térmico), Return Video Beacon (Video). Estados Unidos HRVS (High resolution visible scanner). Pancromático, Multispectral (visible, infrarrojo de reflexión, térmco). Francia Multispectral Scanner. Japón En los 70. SAR (Sinthetic apertur radar). Microondas. NASA (EU) En los 80. SAR (Sinthetic apertur radar). Microondas. Comunidad Europea Canadá TIROS/NOAA En los 70. AVHRR (Advanced Vey High Resolution Radiometer). Meteorológico. Visible y térmico. Estados Unidos Serie Nimbus En los 80. CZCS (Coastal Zone Colour Scanner). Meteorológico. Visible y térmico GOES Meteosat AVIRIS Meteorológico (visible, infrarrojo) Comunidad Europea. Meteorológico, 3 bandas (v, ir, vapor agua, irm) 250 bandas Tipos de satélite dedicados al estudio de los recursos de la Tierra. Se presenta el tipo de sensor, las longitudes de onda que registra, la década en que fue lanzado y el país de procedencia 471

20 TÉCNICAS DE MUESTREO PARA MANEJADORES DE RECURSOS NATURALES Satélites de uso más común A nivel comercial, las imágenes de satélite más usadas son las de los satélites Landsat MSS (Multiespectral Scanner), Landsat TM (Thematic Mapper) y SPOT (Satellite Probatoire de l Observation de la Terre). El satélite Landsat fue lanzado por primera vez en 1972, llevando consigo dos tipos de sensores, un barredor multiespectral de cuatro bandas y tres sistemas de video (RBV, Return Beam Vidicon). Este satélite ha demostrado su gran utilidad debido a varias de sus características: disponibilidad de imágenes de todo el planeta, ausencia de restricciones políticas, de seguridad o de derechos de autor, bajo costo relativo, cobertura multiespectral repetitiva y mínimas distorsiones. A la fecha se han lanzado los Landsat 2, Landsat 3, Landsat 4, Landsat 5, Landsat 6 (que no funcionó) y recién en abril de 1999, Landsat 7, que a lo largo de más de 25 años han proporcionado un registro único de la superficie terrestre que representa una información invaluable. Desde la primera etapa, los Landsat llevaban ya un barredor multiespectral, el Multiespectral Scanner (MSS) y posteriormente se añadió otro barredor multiespectral, el Thematic Mapper (Mapeador temático, TM). Las características de ambos se muestran en la el cuadro 2. El barredor multispectral (MSS) registra cuatro imágenes de cada escena, cada una con una cobertura de 185 por 185 km, con una resolución espacial de 79 m. Cada imagen registra la información en una longitud de onda: la banda 1, la información del verde ( µm), la banda 2 del rojo ( µm), las bandas 3 y 4 del infrarrojo ( y µm). El Mapeador Temático (TM) fue añadido desde el Landsat 4. A diferencia del MSS, el cual detecta sólo 64, el TM registra 256 tonos de gris o niveles de radiación y registra siete imágenes en 7 bandas: la banda 1 del azul al verde ( µm), la banda 2 el verde ( µm), la banda 3 el rojo ( µm), la banda 4 el infrarrojo cercano ( µm), la banda 5 infrarrojo medio ( µm), la banda 6 el infrarrojo térmico ( µm) y la banda 7 el infrarrojo medio ( µm). El SPOT es el otro satélite que distribuye imágenes satelitales de forma comercial. Fue lanzado en 1986 y a la fecha es el SPOT 4 el que se encuentra en órbita. Los planes son lanzar el SPOT 5 en Este satélite porta un sensor multiespectral llamado High Resolution Visible (HRV) que pueden funcionar en modo pancromático o multiespectral. En el modo pancromático la resolución espacial es de 10 m, mientras que en el modo multiespectral de 20 m. Otra característica de este sensor es su capacidad de obtener imágenes estereoscópicas. En la forma multiespectral registra la información de tres bandas: la banda 1 el verde ( µm), la banda 2 el rojo ( µm) y la banda 3 el infrarrojo cercano 472

21 INTRODUCCIÓN A LA PERCEPCIÓN REMOTA ( µm). En el modo pancromático la longitud de onda que registra es de 0.51 a 0.73 µm. La imagen obtenida abarca una superficie de 60 por 60 km. El cuadro 3 muestra otras características en comparación con el Landsat y otros satélites. A la fecha otros sistemas satelitales han sido puestos en órbita por otros países, tal es el caso de la India con su satélite IRS (Indian Remote Sensing), que comercializa sus productos vía los distribuidores de Landsat. Asimismo, el advenimiento del Internet, se ha creado un gran acceso a la información de tipo satelital, desde la adquisición de imágenes hasta software para procesarlas y desde altos costos a libre circulación. Procesamiento de Imágenes Una imagen de satélite puede verse, de la forma más simple, como una matriz numérica. Sin embargo, en realidad es una distribución espacial de la respuesta espectral de los elementos registrados en una escena. Cada elemento de la matriz numérica es conocido como pixel o celda. El conjunto de pixeles o celdas conforman las imágenes de los objetos. Como ya se mencionó, con respecto a la resolución espacial de los sistemas satelitales, el tamaño del píxel puede ser de 80 por 80 m en Landsat MSS, 30 por 30 en Landsat TM y de 10 por 10 o 20 por 20 en SPOT. Los valores que tienen los pixeles pueden ir de 0 a 64 niveles radiométricos en MSS y SPOT ó de 0 a 255 en TM y SPOT, y son conocidos como DN por sus siglas en inglés digital numbers.la información contenida en las imágenes digitales debe ser sometida a una serie de manipulaciones para corregir errores, extraer información específica o bien mejorar la visualización. Restauración y correcciones radiométricas Este es el primer paso en el procesamiento de las imágenes. Mediante el proceso de restauración se efectúa la remoción de efectos de magnitud conocida, como las respuestas no lineales del detector. La corrección se realiza para suprimir los efectos cuyas magnitudes no son conocidas, tales como la dispersión atmosférica. Las correcciones radiométricas involucran el re-arreglo de los DN de tal forma que todas las áreas de la imagen tengan una respuesta lineal de los DN con la radiación reflejada. 473

22 Cuadro 3 Satélite Landsat SPOT NOAA IRS Sensor Multiespectral Thematic Modo Modo Pancromático Linear Imaging Wide Field Scanner Mapper Pancromático Multiespectral Self-scanning Sensor Sensor (MSS) ( TM ) (LISS-III) (WiFS) Resolución espacial (m) Resolución espectral (númerode bandas) Tipo Visible Visible Pancromático Visible Visible Pancromático Visible Visible Infrarrojo Infrarrojo Infrarrojo IR Térmico Infrarrojo Infrarrojo IR Térmico Resolución temporal(días) Resolución radiométrica (niveles) Ancho de banda(km) Principales características de algunos de los satélites de uso más común

23 INTRODUCCIÓN A LA PERCEPCIÓN REMOTA Restauración y correcciones geométricas La finalidad de este tipo de correcciones es ajustar la imagen a un esquema preconcebido, tal como es el caso de los sistemas de coordenadas geográficas utilizadas comúnmente. Este proceso se realiza estableciendo la relación entre la imagen y un mapa correspondiente, mediante la ubicación de puntos comunes en ambos, generalmente cruces de caminos, construcciones, etc. Las coordenadas de los puntos comunes se obtienen de mapas de escala detallada y se re-arreglan los pixeles en el nuevo sistema de coordenadas (Figura 7). Figura 7 Corrección geométrica. La imagen original (A) es transformada a un esquema preconcebido (B) Realce de las imágenes El realice de las imágenes tiene como finalidad mejorar el despliegue visual. Las técnicas más comunes son: el estiramiento del histograma, cociente y substracción de bandas, compresión de datos, filtrado y despliegue a color. El estiramiento del histograma. Esta técnica se refiere al hecho de que la información de una imagen puede ser desplegada en forma de un histograma de la frecuencia de los DN presentes en la misma. Como ya se mencionó, las imágenes Landsat TM potencialmente pueden registrar 255 niveles de energía que pueden ser desplegados en un monitor como 255 tonos de gris. No 475

24 TÉCNICAS DE MUESTREO PARA MANEJADORES DE RECURSOS NATURALES todas las escenas abarcan los 255 tonos por lo que el histograma presenta las frecuencias de los DN ubicados en un rango estrecho. Mediante el estiramiento del histograma se puede mejorar los contrastes (Figura 8). Cociente de bandas. Las imágenes pueden ser manipuladas aritméticamente para obtener información específica. Una serie de índices han sido desarrollados para resaltar particularidades de los objetos en una imagen. Entre los más usados y conocidos están el índice de vegetación, el índice normalizado de vegetación. En concreto, ésta técnica reduce la información común entre dos bandas y resalta las particularidades de cada una. Así por ejemplo, es común utilizar el radio de la banda 2 y la banda 3 (visible e infrarrojo cercano) del Landsat MSS o las 3 y 4 del TM, conocido como índice de vegetación verde (IVV): IVV= banda infrarroja banda roja su expresión normalizada (Indice Normalizado de Vegetación) INDV= banda infrarroja - banda roja banda roja + banda infrarroja Los valores resultantes de esta operación fluctúan entre cero u uno. Dado que los máximos y mínimos valores de reflectancia de la vegetación se ubican en el infrarrojo y el rojo respectivamente, los valores cercanos a uno evidencian sitios con alta densidad de vegetación, mientras que áreas carentes tendrán cero. Filtros. La frecuencia espacial es una de las características de las imágenes de satélite. Se define como el número de cambios en los valores de brillantez por unidad de distancia en un sector cualquiera de la imagen. Si hay pocos cambios en la brillantez en un área dada, entonces se refiere a dicha área de baja frecuencia, al contrario, las regiones de fuertes contrastes son regiones de altas frecuencias. Las modificaciones de las frecuencias de las imágenes se realizan por medio de filtros, que no son otra cosa que algoritmos que modifican los valores originales de la imagen. Dos grandes grupos de filtros se reconocen: los filtros pasa altas y los pasa bajas. Los primeros permiten obtener imágenes de altas frecuencias, mientras que los segundos, de baja frecuencia. Los filtros pasa alto, por ejemplo, se usan cuando se quiere resaltar diferencias, como es el caso de bordes de cualquier tipo (parcelas, carreteras, costas, etc.). Existe toda una teoría matemática alrededor de estos procesos que escapan los objetivos de este escrito (Figura 9). 476

25 INTRODUCCIÓN A LA PERCEPCIÓN REMOTA Figura 8 Mejoramiento de imágenes. Estiramiento del histograma. En A) la imagen original y su histograma correspondiente. En B), la misma imagen mejorada mediante el estiramiento del histograma. Compresión de datos. Las transformaciones estadísticas que se aplican a grandes volúmenes de información o de aspecto multivariado, también se aplican a las imágenes de satélite. Dado que las diferentes bandas espectrales presentan correlaciones positivas y negativas, la información resulta redundante. El análisis de componentes principales (ACP) es una técnica muy empleada para extraer la información más relevante de una serie de datos. Despliegue en color. Debido a que nuestros ojos pueden detectar más tonos de color que tonos de gris, el despliegue de la información satelital en colores aumenta notablemente las posibilidades de interpretación. Así, las imágenes son frecuentemente coloreadas usando pseudocolores cuando se trata de una banda o falsos colores cuando son varias imágenes. El uso de pseudocolor involucra el reemplazo de cada tono de gris por un color que 477

26 TÉCNICAS DE MUESTREO PARA MANEJADORES DE RECURSOS NATURALES Figura 9 separa las pequeñas diferencias en la escala de grises. El falso color se utiliza cuando se quiere desplegar la información de tres imágenes a la vez. A cada imagen se le asigna uno de los tres colores primarios, por lo que la variación del comportamiento espectral de un objeto en estas tres bandas tendrá una respuesta particular. Mejoramiento de las imágenes. Filtrado. El filtrado consiste en un algoritmo que se aplica a un conjunto de celdas para resaltar algún rasgo. Clasificación de imágenes Así como es posible clasificar a una región geográfica por su vegetación, es posible clasificar también una región geográfica por su comportamiento espectral detectado por los sensores remotos. Finalmente la clasificación de una imagen de satélite consiste en asociar esos patrones espectrales a rasgos característicos de la superficie terrestre. A nivel general, se pueden reconocer dos grandes tipos de formas de llevar a cabo la clasificación, conocidas como clasificación no supervisada y clasificación supervisada, pero que en realidad la clasificación generalmente involucra ambos procedimientos (Figura 10). La clasificación supervisada consiste, como su nombre lo indica, en la supervisión del analizador y la interacción del mismo con la herramienta de clasificación, esto es, la computadora. Para realizar una correcta y coherente clasificación es necesario tomar en consideración varios aspectos. Entre ellos, es la selección de bandas a utilizar, la localización de áreas significativas de entrenamiento, la determinación de la relación entre el objeto y su DN en las bandas escogidas, la extrapolación de estas relaciones a toda la imagen y el establecimiento de una valoración de la precisión de los resultados. 478

27 INTRODUCCIÓN A LA PERCEPCIÓN REMOTA La selección de bandas a utilizar es una parte del proceso muy importante pues reduce el volumen de datos a manejar. Como ya se mencionó anteriormente, existe una relación entre las bandas, por lo que el uso de todas en un análisis resulta en trabajar con datos redundantes y gasto excesivo de tiempo. Figura 10 A C A B Clase de información C C A B A B B DN s A= Agua B= Agricultura C= Rocas Clases espectrales B C C C C B B C C A B B B A A B B A B A) Clasificación supervisada. Se seleccionan campos de entrenamiento y se extrapolan los resultados al resto de la imagen mediante el uso de un clasificador. B) Clasificación no supervisada. Mediante el uso de un clasificador se extraen los gurpos naturales de la imagen, con el supuesto de que grupos similares tendrán valores de reflexión similares (o DN s). 479

28 TÉCNICAS DE MUESTREO PARA MANEJADORES DE RECURSOS NATURALES Una vez que se ha hecho la selección de bandas, se desarrollan campos de entrenamiento en la imagen. Esto es, se seleccionan sitios con coberturas conocidas, se definen las clases a las cuales pertenecen tomando en cuenta de que sean representativos de su clase. Estos sitios de muestreo representan la información que determinará las reglas de clasificación de cada pixel. Para determinar si las clases selectas pueden ser separadas estadísticamente, se puede realizar una clasificación no supervisada. La finalidad de este método es encontrar los grupos naturales presentes en la imagen, es decir, agrupar aquellos pixeles que presentan valores similares. Generalmente se utiliza un análisis de agrupación para hacer esta clasificación, aunque se han desarrollado algoritmos más sofisticados para hacer clasificaciones no supervisadas. Una vez obtenida una clasificación satisfactoria, es deseable realizar una evaluación de la precisión de la clasificación realizada. Esto se hace generalmente, tomando de muestras de la imagen clasificada y se comparan con lo que efectivamente está en el campo. Mediante una matriz de veracidad se puede hacer una aproximación estadística. A manera de conclusión Sin lugar a dudas, las técnicas de percepción remota representan una gran herramienta para el estudio de los recursos naturales. Las cualidades y características aquí esbozadas nos dan una idea de la aplicabilidad de las mismas. En estos tiempos, nos resulta inconcebible una medición atmosférica o una predicción climatológica sin ayuda de estas herramientas; el monitoreo de la deforestación, de los incendios, del ataque de plagas o bien de desastres naturales o antropogénicos se realiza por estos medios cada día con más frecuencia. Por otro lado, los resultados obtenidos de la clasificación de fotografías aéreas o de imágenes de satélite representan una fuente de datos para alimentar a un sistema de información geográfica (SIG). En un SIG pueden conjuntarse distintas fuentes de información con la finalidad de describir, conocer y modelar determinado aspecto de índole geográfico. 480